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激光分束器是一种典型的衍射光学元件,它通过衍射的作用将一束入射激光分成光强均匀分布的多束激光出射,在诸多光学领域有着重要的应用。特殊情况下,激光分束DOE不仅要满足高衍射效率、高均匀性的要求,还要能够实现大角度分束。根据衍射光学的理论,要增大衍射角度,就必须减小分束DOE的周期。然而DOE周期的下降会带来一系列的问题:首先是标量衍射理论的近似精度会下降,为了保证设计结果的准确性,必须借助于矢量的设计方法;其次是DOE的加工难度会增大,受到加工误差的影响,DOE的实际分束性能并不理想。一维激光分束DOE主要结构形式有连续型、二值型和多台阶型。其中连续相位型DOE和二值相位型DOE都有大角度激光分束方面的研究,但这两种形式的大角度分束DOE都有各自的缺点。例如连续相位型DOE结构复杂,矢量设计以及加工都非常困难;二值相位型DOE实际分束性能受误差影响很大,这些都限制了它们的实际应用。多台阶相位型DOE具备二者的优点,同时克服了二者的缺点,是实现大角度激光分束的更好选择。因此本文提出利用亚波长多台阶结构DOE来实现大角度激光分束。多台阶DOE是一种周期性的二元光学元件,每个周期由多个相位单元组成,这些相位单元形成了台阶状分布。通过这些单元对入射光进行相位调制,就可以实现激光整形或者分束。论文详细分析了多台阶分束DOE的工作机制,介绍了它的设计方法、标量衍射理论、矢量的严格耦合波理论以及相关算法。提出了利用标量衍射理论和GS算法设计一个归一化多台阶结构作为初始值,在此基础上利用严格的耦合波理论和遗传算法进行矢量优化,设计亚波长多台阶结构分束DOE的方法。论文给出了1×8、1×9、1×16分束的亚波长多台阶DOE设计实例,衍射效率达到90%左右,分束非均匀性低于5%,最边缘两个级次之间的衍射夹角接近30°。针对这些亚波长多台阶分束DOE,提出了相应的实验加工方案。最后还对其误差和工作带宽进行了分析,并讨论了标量衍射理论设计多台阶分束DOE的适用性。